基于模型的雷达对抗仿真系统构建技术

2011-04-26韩文彬王华兵戚宗锋

舰船电子对抗 2011年1期

韩文彬,李洋,王华兵,戚宗锋

（解放军63892部队,洛阳 471003）

0 引言

雷达对抗作为重要的作战样式,其仿真模型体系不断膨胀,如何提高仿真模型的复用能力已逐渐引起仿真应用单位的重视。

为了对仿真模型进行有效管理,文献[1]提出了仿真模型库系统的概念,它是提高模型重用性的重要途径。国防科技大学按照基本对象模型（BOM）标准开发的可扩展仿真系统框架,提高了模型开发的规范化和自动化水平。文献[3]、[4]分别介绍了基于BOM进行仿真开发的实例和方法。

在基于模型的仿真开发平台逐渐完善的同时,雷达对抗专业人员有必要着重研究相关仿真系统的高层架构和模型体系。本文按照基于模型的理念,分析了导弹突防背景下的雷达对抗仿真系统总体架构设计、模型体系设计以及系统构建的方法。

1 总体架构设计

1.1 系统组成结构

本仿真系统采用基于高层体系结构（H LA）的分布式仿真结构。系统高层结构如图1所示,共由8个分系统组成。本文重点关注仿真主控、雷达仿真、导弹仿真、干扰仿真和在线评估等5个分系统,它们分别实现仿真控制、对抗实体仿真和仿真结果评估的功能,是仿真系统最重要的组成部分。根据具体战情需求,雷达仿真、干扰仿真和导弹仿真可以有多个运行实体。战情设计、数据采集、视景仿真等3个分系统作为仿真系统的附加分系统,本文不再介绍。

图1 仿真系统运行结构

1.2 系统运行流程

仿真系统的运行流程如图2所示。首先,启动各个仿真分系统；然后,由仿真主控系统读入仿真战情,进行战情分解,将子战情分发给其它分系统；最后,仿真试验开始运行,雷达、导弹、干扰等实体仿真分系统通过运行支撑环境（RTI）进行仿真交互,在线评估分系统提取仿真数据进行实时评估。图2中,虚线部分代表系统外部资源,为仿真运行提供战情数据、威胁数据,并收集仿真试验数据。

图2 仿真系统运行流程图

2 模型体系设计

基于H LA的仿真技术提供了系统高层结构的有效方案,因此在此着重分析各个分系统内部模型体系的设计方法。

2.1 仿真主控分系统

仿真主控分系统实现对仿真系统的控制与管理,包括仿真系统的运行控制、战情的加载与下发等。该分系统模块结构如图3所示,用户界面模块负责以窗口、菜单、表格等图形方式与用户进行交互,数据管理与仿真控制模块是用户界面模块、数据源访问模块和 HLA事件总线接口模块的中间构件,数据源访问模块为数据管理和仿真控制模块提供透明的战情数据下载和格式转换服务,HLA事件总线接口模块主要实现联邦状态管理、时间同步和控制指令、战情等数据的公布与订购。

图3 仿真主控分系统模块图

2.2 雷达仿真分系统

雷达仿真分系统模拟导弹防御系统中的关键雷达,主要功能包括小区域搜索、目标跟踪、逆合成孔径雷达（ISAR）成像、目标识别以及抗干扰等。

如图4所示,根据各个雷达功能之间的耦合关系,将分系统划分为不同的仿真模块。其中,雷达主控模块作为顶层模块,负责与其它分系统进行交互,调度各个模块有序地完成雷达系统的仿真运行；资源调度模型负责接收雷达资源请求,按照优先级为每个请求安排雷达事件,完成波束调度,实现对多个弹道导弹目标的搜索、确认、跟踪、识别；信号产生模块用于模拟雷达接收信号,包括导弹回波、有源干扰信号以及接收机噪声等；信号处理模型负责对雷达接收信号进行处理,得到点迹、一维像等信息；数据处理模块对信号处理得到的点迹、一维像等信息进行数据处理,并且可以利用处理结果进行目标识别处理；天线模块包括天线模拟函数库,用于计算雷达波束在目标方向的增益及波束测角差斜率,提供给信号产生模块以生成回波信号。

如表1所示,雷达仿真分系统模型体系比较复杂。其中,前一级模型可以由后一级模型组合扩充实现,或者在仿真中使用后一级模型。

图4 雷达仿真分系统模块图

表1 雷达仿真分系统模型层次结构表

2.3 导弹仿真分系统

导弹仿真分系统提供导弹飞行过程中的位置、姿态以及雷达截面积（RCS）等信息。根据弹道导弹从出发点到目标点的运动过程受力情况,可将弹道分为推进段、自由段（中段）和再入段。

导弹仿真分系统的模型结构如图5所示。按照导弹飞行阶段,弹道导弹模型根据仿真需要,分别调用推进段、中段、再入段模型,实现导弹全程或者部分阶段仿真。各个飞行阶段模型都包含弹体动力学模型和自动驾驶仪模型,用于模拟导弹飞行状态。除此之外,推进段模型包括热辐射子模型和RCS子模型,用于红外探测和雷达探测；中段模型包括RCS子模型。

图5 导弹仿真分系统模型层次图

2.4 干扰仿真分系统

干扰仿真分系统模拟弹载干扰机,接收导弹运动参数,公布干扰信号描述字。

如图6所示,干扰机模型根据干扰设备的工作过程分别调用侦察引导、干扰决策、干扰信号产生模型,模拟带侦察引导单元的雷达干扰设备工作过程,也可以根据需要模拟无侦察引导的雷达干扰设备工作过程。其中,干扰信号产生模型有不同的实现,例如假目标、距离波门拖引、噪声干扰等。

图6 干扰仿真分系统模型层次图

2.5 在线评估分系统

在线评估分系统的构成如图7所示,该分系统提取雷达仿真分系统的仿真输出信息,基于不同的评估策略对仿真过程进行在线评估,得到实时更新的评估结果。由于评估方法的多样性,系统仿真重在模块划分和组织,具体实现部分典型评估模型,并关注于分系统的可扩展性。

3 仿真系统构建

在完成了系统分析与模型划分之后,进行仿真系统的构建,包括模型开发、组件生成、系统实现以及运行分析等阶段。

图7 在线评估分系统模型层次图

3.1 模型开发

首先应该从模型库选择可用或者相近的模型,然后由仿真对象专业领域人员进行模型确认或者修改。只有对于模型库中没有的模型,才会进行从“空白”开始的开发。模型开发首先需要明确仿真目的,继而给出模型详细定义,即为数学模型。数学模型的建立必须围绕仿真目的对真实对象进行合理的抽象,既要逼真地反映对象的真实特性,又要忽略次要因素。数学模型建立后,根据预先约定的模块输入输出接口,利用编程语言开发实现仿真模型。

3.2 组件生成

BOM技术以及相关工具软件为仿真模型的组件化提供了有效手段。在模型开发完毕后,利用BOM生成工具对专业模型进行封装,添加必要的模型描述,从而生成符合规则的BOM组件。对于复合模型组件,需要利用BOM组装技术对子模型组件进行组合实现。对于新生成组件,要及时纳入项目模型库,并在完善之后纳入总模型库。

3.3 系统实现

单个的分系统,本质上也是许多模型的组合。因而,系统也是基于BOM组件组装的方式,将系统所需的子组件按照既定的接口进行BOM组合得到的。由于仿真系统是基于HLA RTI运行的,因而分系统可以实现为联邦成员。在联邦成员的实现过程中,还要遵循联邦对象模型（FOM）和仿真对象模型（SOM）的约束,建立与仿真平台相关的仿真系统。